一、背景介紹

光學(xué)相干層析血流造影技術(shù)（OCTA）可以實(shí)現(xiàn)活體、三維、毛細(xì)血管級(jí)分辨率的血流造影，具有非侵入、無標(biāo)記的特點(diǎn)。OCTA在應(yīng)用上受到數(shù)據(jù)處理速度的限制。實(shí)時(shí)圖像是操作員獲取OCTA數(shù)據(jù)質(zhì)量反饋的來源，當(dāng)前大部分商用系統(tǒng)沒有OCTA圖像實(shí)時(shí)顯示能力，僅能顯示實(shí)時(shí)OCT圖像，而OCT圖像不能充分反映OCTA血流造影質(zhì)量，不利于操作員調(diào)節(jié)系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)。在臨床應(yīng)用中，數(shù)據(jù)質(zhì)量不合格需要受試者再次采集，降低了檢查效率。OCTA在應(yīng)用上還受到系統(tǒng)掃描速度的限制。由于OCTA基于運(yùn)動(dòng)對(duì)比度計(jì)算血流造影、對(duì)視網(wǎng)膜成像時(shí)需要受試者注視固視目標(biāo)，采集數(shù)據(jù)時(shí)間較長會(huì)使老人、兒童難以保持注視，影響數(shù)據(jù)質(zhì)量。更高的系統(tǒng)掃描速度有助于快速成像并抑制抖動(dòng)產(chǎn)生的噪聲，還可以提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)成像時(shí)間分辨能力。OCTA系統(tǒng)掃描速度的提升對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理速度提出了更高要求。因此本研究圍繞提升OCTA系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理速度和系統(tǒng)掃描速度展開工作。

二、創(chuàng)新工作

浙江大學(xué)李鵬副教授課題組發(fā)展了一種具有高速掃描、實(shí)時(shí)顯示功能的OCTA系統(tǒng)。采用基于逆信噪比-復(fù)值退相關(guān)的實(shí)時(shí)自適應(yīng)光學(xué)相干層析血流造影算法（ID-OCTA），并針對(duì)高速處理目標(biāo)優(yōu)化了OCTA投影圖像生成算法。該工作提出了基于GPU的OCTA數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理框架（圖1），開發(fā)了多線程系統(tǒng)控制程序。系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理線速度（A-line）達(dá)到了365 kHz。受限于現(xiàn)有圖像采集卡的采集速度，系統(tǒng)在250 kHz線速度下實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能。以體素為單位計(jì)算，該工作實(shí)現(xiàn)的OCTA數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理速度達(dá)到了750 MVoxels/s，相較其他研究報(bào)道的速度具有一定優(yōu)勢。該工作的實(shí)時(shí)處理方法以多幀為一個(gè)處理單元進(jìn)行流水線處理，相較以整個(gè)體積數(shù)據(jù)為處理單元的方法可以提供實(shí)時(shí)OCTA斷層圖像的顯示，相較以單幀為處理單元的方法可以盡可能利用GPU的并行計(jì)算資源。

圖1 OCTA實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理流程圖。中間區(qū)域包含GPU中執(zhí)行的操作和存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，上下兩側(cè)區(qū)域包含CPU中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)用不規(guī)則矩形表示，多個(gè)不規(guī)則矩形表示多幀數(shù)據(jù)。在中間區(qū)域，矩形框表示在全局內(nèi)存執(zhí)行的步驟，圓角矩形框表示在紋理內(nèi)存執(zhí)行的步驟，虛線框表示使用CUDA流的處理步驟

基于以上系統(tǒng)，該課題組使用實(shí)時(shí)OCTA圖像引導(dǎo)數(shù)據(jù)采集，與僅使用CPU生成的實(shí)時(shí)OCT斷層圖引導(dǎo)系統(tǒng)調(diào)節(jié)以及反饋OCTA動(dòng)態(tài)成像質(zhì)量的能力對(duì)比，證明了該研究實(shí)現(xiàn)的OCTA圖像實(shí)時(shí)顯示可以幫助操作者更準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)系統(tǒng)屈光和掃描區(qū)域（圖2），并且在動(dòng)態(tài)成像過程中及時(shí)發(fā)現(xiàn)受試對(duì)象成像狀態(tài)變化，提升了OCTA數(shù)據(jù)質(zhì)量和動(dòng)態(tài)OCTA成像數(shù)據(jù)采集成功率。

圖2 實(shí)時(shí)顯示引導(dǎo)系統(tǒng)屈光調(diào)節(jié)與掃描區(qū)域調(diào)節(jié)。（a）（b）（c）（d）實(shí)時(shí)顯示引導(dǎo)屈光調(diào)節(jié)；（e）（f）（g）（h）實(shí)時(shí)顯示引導(dǎo)掃描區(qū)域調(diào)節(jié)；（a）（c）（e）（g）OCT斷層圖像實(shí)時(shí)顯示模式下采集到的數(shù)據(jù)；（b）（d）（f）（h）OCTA投影圖像實(shí)時(shí)顯示模式下采集到的數(shù)據(jù)；（c）（d）（g）（h）依次對(duì)應(yīng)（a）（b）（e）（f）中虛線位置的斷層圖像；（a）（e）采集數(shù)據(jù)后處理的圖像，其余為實(shí)時(shí)顯示圖像

課題組還將高速掃描實(shí)時(shí)顯示OCTA系統(tǒng)應(yīng)用于神經(jīng)血管耦合成像。在閃爍光刺激誘發(fā)小鼠視網(wǎng)膜功能性充血實(shí)驗(yàn)中，證明了實(shí)時(shí)OCTA投影圖像相較實(shí)時(shí)OCT斷層圖像引導(dǎo)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集的成功率更高，并且系統(tǒng)生成的實(shí)時(shí)OCTA投影視頻具有實(shí)驗(yàn)結(jié)果預(yù)覽功能（圖3），為實(shí)驗(yàn)人員提供了實(shí)驗(yàn)結(jié)果預(yù)覽，可以判斷血液動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的大致趨勢。對(duì)于無法通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)或受試動(dòng)物狀態(tài)使數(shù)據(jù)質(zhì)量合格的情況，如小鼠自身問題，可以及時(shí)剔除數(shù)據(jù)，避免處理質(zhì)量不合格數(shù)據(jù)浪費(fèi)時(shí)間。

圖3 系統(tǒng)生成的實(shí)時(shí)OCTA投影視頻截圖。（a）基線階段；（b）刺激階段；（c）關(guān)閉刺激階段。OCTA投影圖像根據(jù)退相關(guān)值對(duì)應(yīng)不同的色彩。箭頭所指大血管與矩形框區(qū)域毛細(xì)血管響應(yīng)明顯。比例尺：200 μm

三、總結(jié)與展望

相較于僅使用CPU實(shí)現(xiàn)的OCT斷層圖像實(shí)時(shí)顯示，該方法可以在OCTA體數(shù)據(jù)單次采集時(shí)幫助操作人員更快速、準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在OCTA體數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)采集時(shí)反饋受試對(duì)象眼睛狀態(tài)的波動(dòng)情況。后續(xù)工作將從以下三個(gè)方面優(yōu)化：一是優(yōu)化振鏡掃描模式，提升系統(tǒng)硬件掃描速度的利用率；二是優(yōu)化OCTA數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理框架，利用GPU的圖形渲染功能優(yōu)化圖像質(zhì)量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)三維血管造影實(shí)時(shí)顯示；三是嘗試?yán)肙CTA系統(tǒng)高速掃描性能提高對(duì)小鼠視網(wǎng)膜神經(jīng)血管耦合成像的時(shí)間分辨率。

參考文獻(xiàn)： 中國光學(xué)期刊網(wǎng)

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